JPH0528769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は波長変調装置を用いて光スペクトル強
度測定における輝線ピークの変化量を制度良く測
定できるとともに絶対量も同時に測定できる波長
変調型微分分計に関する。

［従来の技術］ 例えば半導体のIC素子等の製造工程における
プラズマエツチング、プラズマアツシング、リア
クテイブイオンエツチング等において、エツチン
グ処理が終了したことを検出する手段として、エ
ツチングされる物質のプラズマスペクトルの変化
を検出する方法がある。

例えばIC素子のアルミ配線パターンをプラズ
マエツチング処理する場合、第７図ａに示すよう
に、スペクトル分光計を用いてエツチング処理中
に放出されるプラズマスペクトルを測定する。そ
して、測定されたスペクトル特性中における顕著
な例えば3082Åの輝線スペクトルＡに検出波長を
固定して輝線スペクトルＡの強度を連続測定す
る。そして、第７図ｂに示すようにこの波長3082
Åの輝線スペクトルＡの強度が大きく変化した時
刻をエツチング終了時刻としてエツチング処理を
停止する。

しかしながら、一般にプラズマスペクトル特性
には目的物質以外の物質からの種々の波長を有す
るスペクトルが含まれるので、これ等の物質によ
る妨害スペクトルが目標スペクトルに重畳してい
る。その結果、目標スペクトルの強度が正しく測
定されない場合がある。これ等の妨害スペクトル
には広帯域のブロードスペクトルと線状の輝線ス
ペクトルが混在している。従つて、エツチング時
とエツチング終了時とで強度に明瞭な差が生じる
輝線スペクトルを全体のスペクトル特性中から捜
す必要がある。このような考えでもつて第７図ａ
のエツチング時のスペクトル特性と同図ｂのエツ
チング終了時のスペクトル特性とを比較すると、
4000Å近傍の輝線スペクトルＢは発見される。し
たがつて、スペクトル分光計の検出波長λをこの
輝線スペクトルＢの中心波長λ_Oに合せて、この輝
線スペクトルＢの強度変化を検出することによつ
て、エツチング処理終了を検出できる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のように測定波長λをλ_Oに
固定してスペクトル分光計でもつて輝線スペクト
ルＢの強度変化を連続測定することによつて、プ
ラズマエツチング処理の終了を検出する場合にお
いても、また次のような問題がある。すなわち、
波長λ_Oの輝線スペクトルＢは図示するように広い
バツクグラウンドスペクトルに重畳している場合
が多い。例えば第７図ａにおいて輝線スペクトル
Ｂ全体の強度をｃ、バツクグラウンドスペクトル
の強度をｂとして、バツクグラウンドスペクトル
から突出している変動分の強度をａとすると、エ
ツチング終了検出においては最終的に変動強度ａ
の変化量を測定する必要がある。しかし、実際の
スペクトル分光計においてはバツクグラウンドス
ペクトル強度ｂを含んだ全体のスペクトル強度ｃ
が測定される。

一般に、従来のスペクトル分光計におけるスペ
クトル強度の測定精度は高々0.1％のオーダであ
る。したがつて、検出すべきスペクトルの変動強
度ａがバツクグラウンドスペクトルの強度ｂに比
較して小さい場合は、変動強度ａの変化を精度よ
く測定することは不可能であつた。

前述したように、半導体IC素子のプラズマエ
ツチング工程においては上記変動強度ａの値が第
７図ｂに示すように検出できなくなるとエツチン
グ終了と判断するので、上記したように変動強度
ａの値が正確に判定できない場合は、エツチング
処理が終了していないのに変動強度ａが零になつ
たと判断してエツチング処理を中止してしまう場
合がある。この場合、半導体表面にエツチング処
理が完全に実行されていない部分が残り、IC製
品の歩留りが低下する懸念があつた。

本発明はこのような事情に基づいてなされたも
のであり、その目的とするところは、波長変調装
置およびサンプリング回路を用いることによつ
て、たとえバツクグラウンドスペクトルの強度が
大きくとも、輝線スペクトルにおける微少なスペ
クトル変化を精度よく測定できるとともにスペク
トルの絶対値も同時に測定でき、目標とする輝線
スペクトルを容易に判別しその変化量を適確に把
握できる波長変調型微分分光計を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の波長変調型微分分光計は、測定すべき
光の光束を所定の周波数で振動させる波長変調装
置と、波長変調装置から出力された変調された光
束を分散させて回折スペクトルを出力させる回折
格子と、回折格子を回動させて出力された光束の
回折格子に対する入射角度を連続変化させる波長
走査機構と、回折格子より出力された回折スペク
トルを受光して回折スペクトルに含まれる光変調
信号を電気信号に変換する光電変換器と、光電変
換器から出力された電気信号を波長変調装置の振
動周波数の２倍の周波数で同期検波する同期検波
回路と、光電変換器から出力された電気信号を増
幅する直流増幅器と、直流増幅器の出力信号を波
長変調装置の振動周波数又は２倍の周波数に同期
してサンプリングするサンプリング回路とで構成
している。

さらに、前記波長変調装置を、Ｕ字形音叉と、
このＵ字形音叉を振動駆動するための電磁コイル
と、Ｕ字形音叉の一方の自由端に装着され測定す
べき光の光束を反射させるための第１の平面鏡
と、Ｕ字形音叉の他方の自由端に装着され反射光
と振動振幅を検出するための第２の平面鏡と、こ
の第２の平面鏡へ反射光束の振動振幅検出用の検
出光を照射する発光装置と、第２の平面鏡にて反
射された検出光をポジシヨンセンサで受光し、反
射された検出光の振動振幅を変化検出回路で測定
する振幅測定器と、振幅測定器にて測定された振
動振幅値が常に一定値になるように電磁コイルの
励磁を制御する駆動回路とで構成している。

［作用］ このように構成された波長変調型微分分光計で
あれば、測定すべき光の光束は波長変調装置にて
所定の周波数Ｆで振動されて回折格子へ入力され
る。したがつて、回折格子への入射角θが中心入
射角θ_Oを中心に周波数Ｆで振動するので、この回
折格子の出力スペクトルを受光する光電変換器に
て得られる電気信号は前記中心入射角θ_Oで測定中
心波長λ_O対して周波数Ｆで波長がλ_O±Δλで振動
する振動スペクトル信号となる。この振動スペク
トル信号をハイパスフイルタを介して周波数2F
で同期検波すると、測定中心波長λ_Oにおけるスペ
クトルの変動分が得られる。

また、光電変換器の出力電気信号を直流像幅器
を介して周波数2Fでサンプリングすると、中心
波長λ_Oにおけるスペクトルの直流成分が得られ
る。さらに、波長走査機構を駆動すると、振動さ
れた光束の回折格子に対する中心入射角θ_Oが変化
するので、測定中心波長λ_Oが変化する。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。第１図は実施例の波長変調型微分分光計の概
略構成を示す模式図である。図中１は半導体IC
素子等におけるエツチング処理部等のプラズマ発
生源であり、このプラズマ発生源１から放射され
た被測定光の光束２はケース３の入射窓に嵌入ま
れたコンデンサレンズ４にて入口スリツト５を介
して波長変調装置６を構成する振動子７の一対の
振動片の一方に取付けられた第１の平面鏡８に集
光される。

この振動子７は例えば第２図に示すように構成
されている。すなわち、Ｕ字形音叉９の内部に電
磁コイル１０が配置されており、この電磁コイル
１０の軸心にコア１１が挿入されている。そし
て、Ｕ字形音叉９の一対の自由端、すなわち一対
の振動片にそれぞれ前記第１の平面鏡８および第
２の平面鏡１２が取付けられている。しかして、
この振動子７はＵ字形音叉９の形状、重量等で定
まる一定周波数Ｆおよび電磁コイル１０に流れる
励磁電流値で定まる振幅Ｗで振動する。

振動子７の第１の平面鏡８にて反射された光束
２はコリメータ１３へ入射される。前述したよう
に振動子７は一定周波数Ｆ、一定振幅Ｗで振動し
ているので、第１の平面鏡８にて反射された光束
２は一定周波数Ｆおよび一定振幅Ｗで振動する振
動光になる。コリメータ１３にて反射された振動
光は固定部に対して回動自在に取付けられたブレ
ーズ型の回折格子１４へ入射される。この回折格
子１４にて、格子寸法、入射角θ等にて定まる波
長λのスペクトルが分光されてコレクタ１５へ入
射される。このコレクタ１５にて反射された振動
スペクトルが結像する位置に出口スリツト１６が
配設されており、この出口スリツト１６の裏面に
隣接して、前記コレクタ１５で反射され出口スリ
ツト１６上に結像した振動スペクトルを受光する
光電変換器１７が設けられている。この光電変換
器１７から出力された直流成分および交流成分を
含んだ電気信号ｆは、直流増幅器１８で増幅され
た後、サンプリング回路１９へ入力される。この
サンプリング回路１９は入力した増幅後の電気信
号ｆをタイミング回路２０から出力される周波数
2Fのサンプリングパルスｇでサンプリングする。
なお、タイミング回路２０には前記波長変調装置
６の振動子７を駆動する振動子駆動回路２１から
出力された振動子７の振動周波数Ｆの２倍の周波
数2Fを有する同期信号ｈが入力されており、タ
イミング回路２０は同期信号ｈの出力タイミング
を調整してサンプリングパルスｇとしてサンプリ
ング回路１９へ送出する。サンプリング回路１９
にて周波数2Fでサンプリングされた電気信号ｆ
のサンプリングデータは測定スペクトルの直流成
分強度ｅとしてマイクロプロセツサ等で構成され
た制御演算回路２２へ入力される。

また、光電変換器１７から出力された電気信号
ｆはコンデンサ２３からなるハイパスフイルタで
もつて直流成分が除去された後、同期検波回路２
４へ入力される。電気信号ｆの交流成分は、この
同期検波回路２４でもつて振動子駆動回路２１か
ら放出された同期信号ｈの周波数2Fで同期検波
されて、測定スペクトルの変動強度ａとして制御
演算回路２２へ入力される。

また、図中２５は回折格子１４を回動させてコ
リメータ１３からこの回折格子１４へ入射される
振動光の中心入射角θ_Oを連続変化させる波長走査
機構であり、この波長走査機構２５において、ケ
ース３に該設されたネジ穴に螺合するネジ棒２５
ａの一端に取付けられた駆動モータ２５ｂを制御
演算回路２２にて制御されるモータ駆動回路２５
ｃでもつて回転させると、ネジ棒２５ａが回転
し、ネジ棒２５ａの他端近傍に取付けられた係止
部材２５ｄの水平位置が移動する。係止部材２５
ｄの水平位置が移動すると、回動軸２５ｅにて固
定部に対して回動自在に取付けられた回折格子１
４の回動アーム２５ｆが移動して、回折格子１４
が回動する。その結果、上記振動光の中心入射角
θ_Oが変化する。中心入射角θ_Oが変化すると、この
回折格子１４から出力されコレクタ１５へ入射す
る振動回折スペクトルの中心波長λ_Oの値が変化す
る。

なお、前記回折格子１４の回転角度は回転角度
検出器２６にて検出され、制御演算回路２２へ入
力される。

前記波長変調装置６においては、図示するよう
に振動子７の第２の平面鏡１２にコンデンサレン
ズ２７を介してLED等の発光素子で構成された
発光装置２８から出力される検出光２９が入射さ
れる。そして、この第２の平面鏡１２で反射され
た検出光２９は一定周波数Ｆの振動光となり、こ
の検出光２９の振動振幅を測定するポジシヨンセ
ンサ等で構成された振幅測定器３０へ入力され
る。この振幅測定器３０にて測定された検出光２
９の振動振幅信号は、振動子７のＵ字形音叉９の
内側に組込まれた電磁コイル１０へ励磁電流を
送出する振動子駆動回路２１へ入力される。

振動子駆動回路２１には、前記制御演算回路２
２から送出された振幅設定信号ｉが入力されてい
る。そして、振幅測定器３０から入力された振幅
振動信号から換算された振動子７の測定振幅が、
設定信号ｉに対応する設定振幅Ｗになるように振
動子７の電磁コイル１０に供給する駆動電流の
値を制御する。したがつて、振動子７の振動振幅
は常に制御演算回路２２から送出された設定信号
ｉに対応する振幅値Ｗとなる。また、この振動子
駆動回路２１は同期検波回路２４およびタイミン
グ回路２０へ振動子７の振動周波数の２倍の周波
数2Fを有する同期信号ｈを送出する。

このように構成された波長変調型微分分光計の
動作原理を第３図ａ，ｂを用いて説明する。すな
わち、測定すべき輝線スペクトルＢの中心波長λ_O
を中心としてこの周辺（λ_O±Δλ）で波長λを変
調しながらスペクトル強度を測定する。このとき
測定されるスペクトル強度波形は同図ｂに示すよ
うに直流成分ｅに振幅ｄの交流成分（リツプル成
分）が重畳した波形Ｄとなる。この波形Ｄの交流
成分の周波数は波長変調周波数Ｆの２倍の周波数
2Fとなる。したがつて、この波形Ｄを周波数2F
で、波長変調に同期させて検波すれば元のスペク
トル強度が得られる。実際には測定輝線スペクト
ルＢは同図ａに示すように強度ｂの広帯域のバツ
クグラウンドスペクトルが重畳されているので、
同図ｂに示す直流成分ｅをハイパスフイルタで除
去した後、同期検波すれば、輝線スペクトルＢの
変化分の変動強度ａに対応する強度が得られる。

また、振幅ｄの交流成分が重畳したままの波形
Ｄを周波数2Fでサンプリングすると、元のスペ
クトル強度ｃを取出すことが可能である。第３図
ｂのS₁、S₂、S₃……のタイミングで波形Ｄをサン
プリング、すなわちf₁、f₂、f₃……をサンプリン
グすれば波長λ_Oにおける元のスペクトル強度ｃが
得られる。なお、サンプリング周波数2Fは振動
子７の振動周波数Ｆの２倍の周波数であり、振動
子７の振動周波数Ｆは2KHz程度の値である。こ
の値は波長走査機構２５による波長走査速度に比
較して十分高い値であるので、サンプリング回路
１９から出力されるサンプリングデータはほぼ連
続値とみなすことが可能である。

したがつて、第１図の実施例の波長変調型微分
分光計においては、前述したように、振動子７が
一定周波数Ｆ、一定振幅Ｗで振動しているので、
回折格子１４へ入射される振動光の入射角θも中
心入射角θ_Oを中心として一定の角度範囲（θ_O±
Δθ）で振動する。その結果、出口スリツト１６
上には波長λ_O±Δλの振動スペクトルが結像する。
したがつて、光電変換器７の受光面の入力光は第
３図ｂの波形Ｄに示すように、直流成分ｅに交流
成分ｄが重畳した波形となる。この波形Ｄは光電
変換器１７にて電気信号ｆに変換される。したが
つて、コンデンサ２３で直流成分ｅが除去され、
同期検波回路２４にて周波数2fの同期信号ｈによ
つて同期検波された信号は、第３図ａの輝線スペ
クトルＢの変動強度ａに対応する直流信号とな
る。

また、サンプリング回路１９にて周波数2Fの
サンプリングパルスｇ（サンプリングポイントS₁、
S₂、S₃……）にてサンプリングされたデータ値は
同図ｂの直流成分f₁、f₂、f₃……に対応した値と
なる。

したがつて、制御演算回路２２には輝線スペク
トルＢの変動強度ａと直流成分に対応する強度ｃ
が入力される。

次に、波長走査機構２５のモータ駆動回路２５
ｃにて駆動モータ２５ｂを一定速度で回転させる
と、第４図に示すように回折スペクトルの中心波
長λ_Oが時間ｔとともに順次ずれていく。その結
果、第３図ｂの波形Ｄに含まれる波長（λ_O±Δλ）
も順次ずれていく。したがつて、周波数2Fのサ
ンプリングパルスｇでこの波形Ｄをサンプリング
すると、サンプリングされたデータに対応する波
形λが時間ｔとともに、λ₁、λ₂、λ₃、…、λn、
…へと順次変化していく。そして、このデータは
順次制御演算回路２２へ入力される。また、制御
演算回路２２には回転角度検出器２６から回折格
子１４の回動角、すなわち、中心波長λ_Oの情報が
入力されている。したがつて、この制御演算回路
２２には各波長λに対応するスペクトルの直流強
度ｃが入力されることになる。

また、波形Ｄの中心波長λ_Oが順次変化すると、
同期検波回路２４から出力される変動強度ａの波
長λも順次変化する。

その結果、制御演算回路２２には各波長λに対
する直流強度ｃと変動強度ａとの二つのデータが
同時に入力されることになる。

第５図は、半導体ウエーハ上にSiO₂膜をリア
クティブイオンエツチングしている場合の実測例
である。このように、波長λに対して直流強度ｃ
に対応する直流特性Ｅと変動強度ａに対応する変
動特性Ｆとを同時に得ることが可能である。この
図からも明らかになるように、変動特性Ｆは直流
特性Ｅを２次微分した特性になつている。

このように変動特性Ｆにおいては、第３図の直
流成分ｅを除去して交流成分ｄのみを分離して検
出することが可能であるので、輝線スペクトルＢ
におけるバツクグラウンドスペクトルの強度ｂを
除去して変動強度ａのみ精度よく測定できる。し
たがつて、従来スペクトル分光計のように測定す
る波長の値をλ_Oに固定してスペクトル強度ｃを直
接測定する場合に比較して、測定精度を格段に向
上することが可能である。

例えば、同図において、波長λ＝4510Åおよび
λ＝4820Åに存在する輝線スペクトルＧ，Ｈがエ
ツチング終了時にはほとんど無くなることから、
同波長における輝線スペクトルの変動特性Ｆ値を
監視することによつて、エツチング終了時刻を確
実に検出できる。

また、変動特性Ｆの他に直流特性Ｅも同時に求
められるので、全体の分光スペクトル特性を観測
しながら目標とする輝線スペクトルＢの値を観測
できるので、輝線スペクトルＢの変動情報をより
確実に把握できる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではない。実施例においては、振動子７として
Ｕ字形音叉９を用いた圧電型アクチユエータを用
いて同様に一定周波数、一定振幅の振動光を得る
ことが可能である。

さらに、実施例においては、タイミング回路２
０からサンプリング回路１９へのサンプリングパ
ルスｇの出力タイミングを第４図に示したように
波形Ｄの変動部分が一点鎖線で示される中心位置
を横切る瞬間に設定したが、第６図に示すように
波形Ｄの変動部分が最大値および最少値に達した
瞬間に設定してもよい。このように設定すれば、
サンプリングされるデータに対応する波長は波形
Ｄの折返し点の波長B₁、B₂、B₃……になる。波
形Ｄの折返し点におけるデータの変化量（dλ／
dt）が小さいので、サンプリングのゲート時間を
広く設定することが可能であるので、サンプリン
グされた各データの測定精度を向上させることが
可能である。

なお、この場合サンプンリング時の波長が中心
波長λ_Oから±Δλだけずれることになるが、その
時のΔλな振動子７の振幅Ｗから算出できるので、
制御演算回路２２にて上記波長の補正を実施すれ
ばよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、例えバツ
クグラウンドスペクトルの強度が大きくとも、輝
線スペクトル等の微少なスペクトル変化を精度よ
く測定できるとともにスペクトルの絶対値も同時
に測定でき、目標とする輝線スペクトルを容易に
判別しその変化量を的確に把握できる。

さらに、測定光を振動させるＵ字形音叉の振幅
の絶対値をポシシヨンセンサ等の光学的手法を用
いて直接測定し、振幅が一定になるように制御し
ている。したがつて、例えば磁気ヘツド等を使用
した他の測定手法に比較して、Ｕ字形音叉の振幅
測定の安定性及び測定精度が上昇するので、最終
的なスペクトル変化の測定精度をさらに向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる波長変調型
微分分光計の概略構成を示す模式図、第２図は同
実施例の振動子を示す斜視図、第３図および第４
図は同実施例の動作を説明するための図、第５図
は実測値を示す図、第６図は本発明の他の実施例
の波長変調型微分分光計の動作を説明するための
図、第７図はプラズマスペクトルを示す図であ
る。 １……プラズマ発生源、２……光束、３……ケ
ース、５……入口スリツト、６……波長変調装
置、７……振動子、８……第１の平面鏡、９……
Ｕ字形音叉、１０……電磁コイル、１２……第２
の平面鏡、１３……コリメータ、１４……回折格
子、１５……コレクタ、１６……出口スリツト、
１７……光電変換器、１８……直流増幅器、１９
……サンプリング回路、２０……タイミング回
路、２１……振動子駆動回路、２２……制御演算
回路、２３……コンデンサ、２４……同期検波回
路、２５……波長走査機構、２６……回転角度検
出器、２８……発光装置、２９……検出光、３０
……振幅測定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定すべき光の光束を所定の周波数で振動さ
   せる波長変調装置６と、該波長変調装置から出力
   された変調された光束を分散させて回折スペクト
   ルを出力させる回折格子１４と、該回折格子を回
   動させて前記出力された光束の前記回折格子に対
   する入射角度を連続変化させる波長走査機構２５
   と、前記回折格子より出力された回折スペクトル
   を受光して前記回折スペクトルに含まれる光変調
   信号を電気信号に変換する光電変換器１７と、該
   光電変換器から出力された前記電気信号を前記波
   長変調装置の振動周波数の２倍の周波数で同期検
   波する同期検波回路２４と、前記光電変換器から
   出力された前記電気信号を増幅する直流増幅器１
   ８と、該直流増幅器の出力信号を前記波長変調装
   置の振動周波数又は２倍の周波数に同期してサン
   プリングするサンプリング回路１９とを備えた波
   長変調型微分分光計であつて、 前記波長変調装置は、Ｕ字形音叉９と、該Ｕ字
   形音叉は振動駆動するための電磁コイル１０と、
   前記Ｕ字形音叉の一方の自由端に装着され前記測
   定すべき光の光束を反射させて出力する第１の平
   面鏡８と、前記Ｕ字形音叉の他方の自由端に装着
   され前記反射光の振動振幅を検出するための第２
   の平面鏡１２と、該第２の平面鏡へ前記反射光束
   の振動振幅検出用の検出光を照射する発光装置２
   ８と、前記第２の平面鏡にて反射された前記検出
   光をポジシヨンセンサで受光し、該反射された検
   出光の振動振幅を変化検出回路で測定する振幅測
   定器３０と、該振幅測定器にて測定された振動振
   幅値が常に一定値になるように前記電磁コイルの
   励磁を制御する駆動回路２１とを具備することを
   特徴とする波長変調型微分分光計。